H01S3/00
1.本发明人要求对本发明拥有占有权、生产权和经营权。为此，提出如下 保护范围。
一、独立权利要求
本发明属于电子光学技术领域。
现有技术中与本发明主题密切相关的技术特征是：以电阻R、电感L和 电容C组成的非经典电路系统为基础，产生具有倍周期演变性的非线性振荡 行为(非线性电子技术特征)；以能级间粒子数的反转体系为基础，产生比 普通光辐射性能更好的受激光辐射(受激光辐射技术特征)；以入射激光束 的强度超过一定阈值为条件，产生定向的具有相干特征的受激光散射(受激 光散射技术特征)。
(二)特征部分
本发明的技术特征是：以RLC非线性振荡电路为基础，建立由激励系 统、工作物质和倍周期演变光学共振腔组成的组合系统，综合利用受激光辐 射效应和受激光散射效应，产生具有级联演变性、性能更好、空间分布未必 极小、适用范围更广的超光辐射。
2.二、从属权利要求
(一)引用部分
被引用的权利要求①：与倍周期演变电流有关的受激光辐射；
被引用的权利要求②：与倍周期演变电流有关的受激光散射；
(二)特征部分
(1)由被引用的权利要求①，本发明附加的技术特征是：输出的倍周期 演化光可在包括分频在内的一切频率范围内连续调谐；
(2)由被引用的权利要求①，本发明附加的技术特征是：能量转换效率 比激光器的转换效率更高；
(3)由被引用的权利要求①，本发明附加的技术特征是：受激光级联簇 射的功率比激光的功率更高，可以获得巨脉冲功率。
(4)由被引用的权利要求②，本发明附加的技术特征是：在保持比激光 性能更好的条件下，虽然受激光级联簇射的空间分布(或立体角范围)受到 限制但未必极小。
电致受激光级联簇射装置(超光器)
本发明称为“电致受激光级联簇射装置”，又称超光发射器，英文 缩写为UL。
本发明属于电子光学技术领域。本发明既与受激光辐射技术(即 激光技术)有关，也与受激光散射技术有关。
对本发明的理解、检索、审查最相关的现有技术，是近十多年出 现的非线性电子技术。回顾非线性振荡的研究史(参见Kennedy M.P.， Chua L.O.，IEEE Trans.Circuits and Systems，33(1986)974)，我们可 以知道，虽然早在1927年荷兰无线电工程师Vander Pol等在三极管振荡电 路中就已看到“不规则的”现象，但由于当时技术不够发达，没有对这种分叉 一混沌现象给以重视。重要的倍周期分叉现象也直到1978年才由美国物理 学家Feigenbaum发现(参见M.J.Feigenbaum，J.Stat.Phys.，19，25 (1978)；21，669(1979))。1979年3位苏联学者提出了修正的Vander P01 振荡器，发现了复杂输出(参见Zongh G.O.，Ayrom F.，Int.J.Circuit Theory Apple.，13(1985)93；程极泰，《自然杂志》，12(1989)； Matsumoto.T.et al.，IEEE Trans。Circuits and Systems，32(1085) 797)。1981年P.S.Linsay对含变容二极管的RLC振荡电路(附图1)进行 实验研究(Tang Y.S.et al.，IEEE Trans，Circuits and Systems，30 (1983)，620)。此二极管的电容随电压变化的规律是C＝C0(1＋βV)γ，其 中C0，β和γ是常数。当讯号发生器的输出电频较低时，RLC回路响应是 线性的，有一确定共振频率υ。将发生器调到此频率上，以讯号电压V为控 制参量。当V增到阈值V1，时，突然有二分频υ/2……，当V增到阈值Vn 时，突然有zn分频υ/2n，这些阈值Vn按Feigenbaum普适常数δ收敛。 实验结果与理论预计值比较列于表1。1984年L.O.Chua设想-3阶非线性自 治电路(Chua L.O.，et al.，Int.J.Circuit Theory Appl.，14(1986)315)、 此电路可与Lorenz混沌模型相比。1986年黄安山在Chua电路中发现“周期 一混沌一周期加(减)1律”，继而又在该电路中到了混沌消失时的边界 (黄安山，《电子学报》，18，2(1990)121)。实际上，在其他3阶自治电 路，例如仿Chua电路、双回路3阶自治电路中，都存在着相同现象。特别 是在仿Chua电路中遵循着一条完美的规律：从平衡点开始Hopf分叉由倍 周期进入混沌，然后从周期2开始经倍周期进入混沌，再后从周期3开始… …(参见Chua.L.O.，Madan R.N.，IEEE.Circuits adn Devices Magazine，1(1988)3)。
对本发明的理解、检索、审查有参考作用的另外两项现有技术，是受激 光辐射(激光)技术和受激光散射技术。现有激光技术可分为束缚电子激光 技术和自由电子激光技术。对于束缚电子激光技术，已有不少技术资料，并 已为有关领域普通技术人员熟知。自由电子激光器(FEL)是最近十多年正 大力研制的新型激光器件。(参见兰马：“自由电子激光器(FEL)”，《国防 科技大学学报》，2(1985))。1971年斯坦福大学的Madey写了一篇题为 “周期磁场中的受激轫致辐射”(J.M.J.Madey，J.Appl.phys.，42(1991) 5，1906)。1977年Madey等又实现波长为3.4微米的自由电子激光振荡 (D.A.GDeacon，et al.，Phys.Rev.Lett.，38(1977)16，892)。大约从 1976年起，FEL作为新型激光器件向世了。这方面的技术资料包括： V.L.Granatstein，et al.，IEEE Trans.，MTT-22(1979)，1000； J.M.Wachtel，J.Appl.phys.，50(1979)1，49；R.P.leavitt，et al.， Appl.Phys.Lett.，35(1979)5，363；H.Dekker，Phys.Lett.，59(1976) 5，369.在受激光散射技术方面，有如下资料：M.Cardona，ed.，Raman scattering in solinds，Springer-Verlag.Berlin，1975；N.Bloembergen， American Journal of Physics，Vol.35，p.989，1967；H.Rabin and C.L.Tang，ed.，Quantum Electronics，A Treatise，Vol.1，Academic Press，New York，1975.
(四)发明超光器UL的目的，是通过引入非线性电路系统，将受激光 辐射技术与受激光散射技术结合起来，以产生、发射比现有激光性能更好且 辐射的立体角未必极小的光。
在束缚电子激光器中，由于工作物质固有能级的限制，激光波长不可能 在大范围内连续调谐；受激发射几率与λ3成正比，因此想获得高功率短波 激光是困难的；工作物质在强光下出现自聚焦，自击穿等非线性破坏效应， 限制了输出功率的提高；能量转换环节较多，所以能量转换效率一般不高。 由于这些限制，束缚电子激光器显然不能满足现代科学技术的某些特殊需 要。
虽然自由电子激光器(FEL)能够将相对论性电子束的动能变成相干辐 射能的装置，从而能够克服束缚电子激光器的某些缺点，但是，FEL产生 的激光局限于高功率、短波长、宽频带连续调谐。而且，在实验上，FEL 的能量转换效率比理论预计值至少差一个数量级。短波辐射的产生，在理论 和实验上也都存在困难。近年来，FEL的研究主要集中在这两个方向上。
不过，对多种受激辐射效应和多种受激散射效应的综合利用，应当会取 得更加明显效果。正是基于这种设想，本人发明了以非线性电路为基础的电 致受激光簇射装置(UL)，以期产生具有级联演变性、性能更高，空间分布 未必极小，适用范围更广的超光辐射。
(五)现从工作原理和基本构成两方面介绍本发明的内容。
1、工作原理
由第(三)部分所述非线性振荡电路实验结果，我们可以断定：i)随 着分叉级数n的增加，非线性振荡以Z(n)倍周期而递增；ii)在第n级分 叉上，非线性振荡由z(n)个分叉波迭加而成。这里Z(n)取整数值。关 于这一点，可参见本发明者李宗诚在在《1994年全国自动化控制理论学术 年会论文集》发表的论文《自组织控制系统分析方法：分叉一混沌信号与N 级分频谱变换》，还可参见本发明者李宗诚在1994年将要出版的学术刊物 《数据采集与处理》上发表的论文《关于非平衡信号的采样间隔和频率》。
在将非线性电路引入探测器或加速器的条件下，由非线性振荡电路实验 结果，我们可以看到；电子具有N级分叉波动性；第n级分叉波的频率应 为υ/z(n)、波长应为z(n)λ。特别地，当n→∞，电子具有混沌波动 性；当n＝0，电子具有de Broglie波动性。
根据电子光学所确认的如下事实：A)在电场和磁场中控制电子运动轨 迹的规律(最小作用量原理)与折射率有变化的化学媒质中控制光线的规律 (费马原理)之间的相似性，B)L.V.德布罗意于20世纪20年代揭示了电子 的波动性及其与光波的相似性；进而，考虑到电磁级联簇射及其它高能多光 子过程，我们可以看到，在将非线性电路引入发射器的条件下，光子将具有 倍周期演变性，而且以分叉—混沌波为基本演变形式。关于这一点，可参见 本发明者李宗诚在1994年将要出版的学术刊物《光谱学与光谱分析》上发 表的论文“N级分叉—混沌光子模型及其演化波谱研究”。本发明人给出如下 两个重要结果：
①根据Feigenbaum分叉间距等比关系(见M.J.Feigenbaum，J.Stat. Phys.，19，25(1978)；21，669(1979))
△n/△n＋1→δ＝4.669201609…… 则N级分叉光子的速度应为
②N级分叉波的频率和波长应为
在外界具有N级分频的倍周期演变光场(光子)作用下，被迫或受激 地发射出一个光子的过程，可称为受激级联簇射演变过程，如附图2所示。 将由非线性电路决定的微扰引入电子—电磁波系统，就可使电子发生倍周期 演变，进而使倍周期演变电子与电磁波相互作用并产生级联演变的受激簇 射。
2、基本构成
一般地，超光器应由三部分组成：超光工作物质、以非线性电路为基础 的激励系统以及倍周期演化光学共振腔，如附图3所示。
超光工作物质是指用来实现粒子数反转并产生光的多级受激簇射作用的 物质体系，可称超光增益媒质。它们可以是固体(晶体、玻璃)、气体(原 子气体、离子气体、分子气体)、半导体和液体等媒质。对超光工作物质的 主要要求，是尽可能在其工作粒子的能级间实现较大程度的粒子数反转，并 使这种反转在整个超光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求 工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。
以RLC电路(非线性振荡电路)为基础的激励系统，是为使超光工作 物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。根据工作物质和 超光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置。但这些不同 的激励方式和装置，都必须以非线性电路为基础。见附图4，这里是非线性 光学激励系统，即是利用以非线性电路为基础的外界光源发出的光来辐照工 作物质以实现粒子数反转的，整个激励装置，可由气体放电光源(氙灯、氪 灯)组成。本说明书后面还将给出另一具体实现方式。
倍周期演化光学共振腔可由具有几何形状和倍周期演化光学反射特性的 两块反射镜按特定的方式组合而成。作用为：(1)提供非线性光学反馈能 力，使受激辐射的倍周期演化光子在腔内多次往返以形成相干的持续非线性 振荡。(2)对腔内往返非线性振荡光束的方向和n级分频进行限制，以保证 输出倍周期演化光具有一定的定向散射性和分级单性。
(六)本发明的优点：
(1)通过采用非线性振荡电路技术，将受激光辐射技术和受激光散射技 术结合起来，从而将受激光辐射效应和受激光散射效应综合起来，达到更好 的效果：
(2)原则上，输出的倍周期演化光可在包括分频在内的一切频率范围内 连续调谐，目前还没有哪一种调谐激光器有如此宽广的调谐范围；
(3)能量转换效率非常高，理论估计可达65％以上，具有很大潜在能力；
(4)功率可望作得很大，可以获得巨脉冲功率，这主要是由倍周期演化 光子的理论速度值、n级分频和n级波长看出；
(5)受激光级联簇射在保持比激光更好性能的条件下，空间分布有限制 但未必极小，立体角范围有限制但未必极小。
由于本发明的工作原理是基于非线性电路系统的能级间倍周期演化粒子 数反转体系的受激级联簇射过程，因此就决定了超光器所发出的级联簇射具 有一系列与普通光辐射和激光辐射不同的积极效果：
(1)倍周期演变性。超光器所发出的光以n级分叉一混沌波为演变形 式，以决定分频υ/z(n)的分叉个数z(n)为周期增加的倍数。
(2)高定向散射性。由超光器发射出的倍周期演化光辐射是以定向光束 的方式，以有限散射的形式沿空间一定的立体角范围(但未必极小，一般可 大于10-5～10-7球面度)向前传输。倍周期演化光的高定向散射性，主要是 由受激辐射放大机理和倍周期演化光学共振腔的方向限制作用所定的。
(3)分级单性。由超光器发射出的倍周期演化光辐射能量，在各分叉 级上只集中在较窄的频率(光谱)范围内，因此具有分级单性。这首先是 因为工作物质的粒子数反转只能在能级之间发生，所以相应的倍周期演化光 发射也只能在各分叉级的有限光谱线(带)范围产生；其次是即使在上述演 化光谱范围内也不是全部n级分频都能产生倍周期演化光振荡，由于倍周期 演化光学共振腔内多光束干涉引起的共振选择作用(限纵模作用)。使得真 正能产生非线性振荡的倍周期演化光的n极分频范围进一步受到更大程度的 压缩。设超光器输出的第n级分叉上的中心分频为υ/z(n)，频谱宽度为 △υ/z(n)，则在较好情况下，其单性的表征量
此外，超光辐射还应具有多级高亮度和多级高简并度。
超光器发出受激光级联簇射，由于具有上述特点，从而突破了普通光辐 射和激光辐射的种种局限性，可引起现代光学应用技术的一系列重要进展， 可广泛应用于工业、农业、生物学和医学等领域，还可应用于通信、雷达和 军事等领域。
(七)附图说明如下：
附图1——本说明书前面对此图已有说明。现进一步指出，图1所给的 实验，在许多实验室都不难做到，而且三十年代就有人发现过非线性电路中 的倍周期分叉现象。然而近五十年中科学家对非线性电路进行了不知多少研 究，却漏过了这里的分频现象。
表1——美国物理学家Feigenbaum对许多非线性函数进行过叠代试 验，都得到分叉间距之比δ和分叉宽度之比α为
α＝4.669201609……
α＝2.502907875…… 这并不是巧合，而是自然界的普适常数。
附图2——在外界具有N级分频的倍周期演变光场(光子)作用下。被 迫或受激地发射出一个光子。在自发和受激两种情况下所发射出的倍周期演 化光子，在传播方向、偏振、频率等特性方面应有所不同。
附图3——本说明书第(五)部分对此图有说明。
附图4——本说明书第(五)部分对此图有说明。
(八)实现本发明的最好方式如下：
利用与非线性电路有关的倍周期演变电致受激辐射的不同效应，可以制 成各种类型的超光器(UL)。例如，利用受激Raman散射效应可制成 Raman型UL。设光子与倍周期演变电子碰撞，如附图5所示。图5是 Raman型UL装置示意图。电子以RIC非线性振荡电路为基础，可产生 具有倍周期演变性的电子束。电子束能量范围在1.2MeV以上，电流在25 千安培以上。这里采用了两个磁场：一个磁场是作为摇摆器，周期长度λw 是8mm，磁场幅值是400高斯；另外一个是均匀磁场，它的作用是会聚电 子束，从而避免碰撞到器壁产生的损失。共振腔是铝制的中央开有小孔的环 形反射镜，让倍周期演变电子束通过中央小孔。
进一步地，可将固定参数摇摆器改为变参数摇摆器。使倍周期演变电子 和辐射之间的相位得到调整，从而提高能量交换的效率。基于此，可设计周 期长度或磁场强度沿倍周期演化电子束运动方向变化的摇摆器(锥形摇摆 器)，初步计算表明，能量转换效率可望提高10倍以上。为了降低对倍周期 演化电子束质量的要求，还可设计每个磁场有横向梯度的结构(横向梯度摇 摆器或膨胀式摇摆器)，它的作用类似于β能谱仪对不同速度和方向的电子 产生聚焦作用。
在空间周期场上再迭加一个轴向均匀的引导磁场。一方面它会减小倍周 期演变电子束的发散带来的损失；另一方面，若倍周期演变电子在轴向磁场 中的回旋频率等于电子坐标系中入射光子的频率，可以产生磁共振效应。初 步估计，能量转换效率可达到3.5％。
本文发布于:2024-09-23 15:26:40，感谢您对本站的认可！
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